镁合金表面多尺度组装体的构建及其抗菌可控

As a new generation of medical metal materials, magnesium alloy (MgA) has attracted more attentions due to its good biocompatibility, unique biodegradability and excellent comprehensive mechanical properties. However, it has brought several problems in implant materials, e.g. rapid corrosion and bacterial infections, etc., which limits its applications in various fields. This project aims at solving this key problem by constructing assembled multi-scale multilayers of MgA with functions of controllable drug delivery. Inorganic nanoarrays will be developed in situ on surface of pretreated MgA via hydrothermal method under microwave irradiation. Furthermore, bioactive multi-molecular layers will be assembled onto inorganic nanoarrays loaded by antimicrobial peptides via the LBL technique. It is expected that the multilayer assembled films will be disintegrated by specific enzymes controllably released from bacteria themselves. The project will explore the relationship between the nanoarray structures and the antimicrobial peptides loading efficiencies, interactions between biomolecular multilayers, inorganic nanoarrays or antimicrobial peptides, and kinetics of antimicrobial peptides release. Furthermore, it will reveal stimulus-responsiveness of assembled multi-scale multilayers to enzymes released from bacteria themselves and the release behaviors of antimicrobial peptides. All the findings are also expected to lay foundations for the designs of novel magnesium alloy implant materials combined with drug controlled delivery.

作为新一代医用金属材料，镁合金以具有良好的生物相容性、生物可降解与优异综合力学性能，在医学材料领域备受关注。然而，镁合金植入体内易于出现腐蚀与细菌感染等问题，严重限制了其应用范围。为了解决这一问题，本项目围绕“药-械”结合酶响应型镁合金表面构建多尺度多层组装体为研究内容，采用微波辅助水热法等手段，在前处理后的镁合金表面原位控制生长无机纳米棒或纳米管阵列。利用纳米材料的表界面效应，有效装载抗菌肽。采用静电LBL技术将酶响应性生物活性多分子层组装于纳米阵列表面，使其具有细菌自生酶刺激多层膜解体特性，实现按需释放抗菌肽的功能。研究纳米阵列结构与抗菌肽装载效率的构效关系，剖析多分子层、纳米阵列与抗菌剂间相互作用，探究细菌酶对多分子层刺激解体与抗菌肽释放动力学行为，揭示镁合金表面组装体对酶刺激响应和抗菌肽释放规律，为“药-械”结合酶响应型镁合金植入材料临床应用奠定基础。

镁及其合金（MgA）由于具有与天然骨相近的机械性能，良好的生物可降解性能，被认为是最具潜力的医用可降解植入材料。然而镁合金在生理条件下会快速降解，从而对周围组织产生毒性，并易受细菌定植，往往导致植入失败。因此发展药物和植入材料相结合——“药-械”结合的多功能组装体在医用镁合金研究领域中十分重要。本项目主要研究内容：（ⅰ）镁合金表面无机纳米阵列的构筑与耐腐蚀、抗菌等性能研究；（ⅱ）利用超分子作用在基于镁合金的无机纳米阵列表面构筑多功能涂层与耐腐蚀、抗菌、血液相容等性能研究；（ⅲ）利用化学键作用在基于镁合金的无机纳米阵列表面构筑多功能涂层与耐腐蚀、抗菌、抗污等性能研究；（ⅳ）基于镁合金的无机纳米阵列表面多尺度水凝胶微图案及刺激响应型组装体的构筑与耐腐蚀、抗菌、抗污等性能研究。利用水热法在MgA表面原位生长氧化锌、羟基磷灰石、氢氧化镁等无机纳米阵列，改善MgA材料的耐腐蚀性、抗菌性、骨生长等性能。采用静电层层组装、多巴胺辅助共沉积法、紫外光引发接枝等技术在基于镁合金的无机纳米阵列表面引入葡聚糖硫酸钠（DS）等抗污、抗菌、血液相容性生物活性分子。采用光掩模板法在无机纳米阵列表面构筑甲基丙烯酸化阿仑膦酸钠/二甲基二烯丙基氯化铵/聚乙二醇二丙烯酸酯（PALNMA/PDADMAC/PEGDA）等刺激响应型多功能水凝胶微图案。本研究构筑了MgA-MgO-HANRs-ZnONRs、MgA-MAO-ZnONRs-(DS/Lys)30、MgA-MgO-ZnONRs-MPTS-PEGLAMA、MgA-Mg(OH)2-PALNMA/PDADMAC/PEGDA(pattern)-HA/BBR等十余种多功能多尺度MgA组装体。通过多种表征手段和性能评价方法进行研究，结果表明，制备的一系列多功能多尺度MgA组装体能够有效提高MgA的耐腐蚀、抗菌和生物相容性等性能。本研究为“药-械”结合多功能化医用镁合金的临床应用奠定了应用研究基础，在医用金属材料领域具有很大的潜在应用价值。本项目取得了一系列的研究成果，在Mater. Sci. Eng. C、ACS Applied Mater. Interfaces、J. Mater. Chem. B等国际国内学术期刊上发表SCI源刊论文24篇，授权中国发明专利7项，申请中国发明专利2项，培养博士研究生2名，硕士研究生14名。